化學凝膠堵漏劑在膠西北紅布礦區的應用

田國亮

(山東省地質礦產勘查開發局第六地質大隊，山東 招遠 265400)

0 引言

2017年，我隊在萊州紅布礦區施工了4個鉆孔，其中有3個鉆孔設計孔深未超過1300 m，另有一個斜孔(127ZK1孔)，設計孔深2100 m，傾角87°。由于該區域未打過1500 m以深的鉆孔，所以缺乏1500 m以深的地層資料。在1420 m以深鉆探過程中遇到全孔失返性漏失，經隨鉆堵漏、常規停鉆堵漏及水泥封孔都未達到良好效果。巖粉難以攜帶到地表、地層破碎、斜孔等諸多因素綜合造成孔壁失穩，給鉆探工作帶來了極大的挑戰。

1 礦區地質情況

膠西北紅布金礦位于焦家金礦田中段，礦區內圍巖主要是玲瓏型花崗巖和郭家嶺型花崗閃長巖。構造解析表明，紅布金礦主要形成于主斷裂發生右行走滑的構造應力環境，其主壓力方位大致為SWW-NEE，主壓應力軸接近水平，含礦裂隙表現為張剪性質。其中焦家主斷裂從礦區中部通過，呈舒緩波狀展布，寬100～200 m，總體走向10°～40°，傾向北西，傾角30°～50°。河西斷裂分布在龍埠村以北，河西村以南，帶長2.5 km，寬達30～160 m，呈開闊的反S形展布。侯家斷裂屬焦家斷裂下盤的又一分支斷裂，自西良向南西在侯家村南與河西斷裂交匯，長5 km，寬30～80 m，走向40°，傾向北西，傾角30°～40°。紅布金礦地質簡圖見圖1。

圖1 紅布金礦地質簡圖Fig.1 Geological map of Hongbu gold mine

2 127ZK1孔鉆孔情況

2.1 鉆孔結構

127ZK1孔設計孔深2100 m，傾角87°。該鉆孔設計四級口徑： 0～10 m(視地層完整情況可調整)，?150 mm硬質合金鉆頭開孔，下入?146 mm表套；10～500 m，S122繩索取心施工，下入?114 mm套管；500～1200 m，S96繩索取心施工，S76繩索取心鉆至終孔。鉆孔結構如圖2所示。

圖2 紅布礦區127ZK1孔鉆孔結構Fig.2 Drilling structure of 127ZK1 in Hongbu mining area

2.2 鉆孔施工情況

鉆至1420 m時，出現地層破碎，巖石裂隙發育(見圖3)，返漿量50%左右，取心時從孔口加入PVA膠液，并在攪拌機里添加隨鉆堵漏劑。

圖3 漏失地層巖心Fig.3 Core of leakage formation

通過以上措施，漏失量有所減輕，返漿2/3左右。因鉆孔漏失造成鉆桿和孔壁之間潤滑度不夠，阻力增大，鉆機工作電流增高，時有憋車現象。為減輕鉆桿磨損，需要在鉆桿外壁涂抹潤滑脂。常規操作為工人帶著手套涂抹，既費時又費力，并且涂抹不均勻。為此，我們設計了油脂涂抹器，用于提下鉆時在鉆桿外壁涂抹潤滑脂。經現場試用，鉆桿外壁涂抹均勻，油脂附著力強。應用后，鉆桿磨損減輕，電流降低，起到了明顯的效果。

施工至1720 m時，出現失返性漏失，回次取心率不足50%，巖粉及脫落的巖心因無法返出而堆積在孔底，孔內阻力增大造成鉆桿折斷(見圖4)、鉆井液循環不暢引起燒鉆(見圖5)等惡性事故。

圖4 斷鉆事故Fig.4 Broken drill pipe accident

采用水泥封孔，沒有效果。對采出的巖心做浸泡實驗，結果見圖6。

圖5 燒毀的鉆具Fig.5 Burned drilling tools

圖6 破碎地層巖心及浸泡結果Fig.6 Core of broken strata and soaking effect

分析地層特性及漏失特征，要求堵漏材料必須滿足以下幾種情況：(1)具有較強的架橋封堵能力，能有效地在漏失孔隙中通過架橋、連接、支撐、滯留等作用形成堵漏骨架，有良好的承壓作用；(2)要有良好的韌性和膠結能力，提高孔壁穩定性；(3)其成膠時間及密度可控。

根據以上分析，我們試驗了由中國地質大學(北京)研制的化學凝膠堵漏劑。

3 化學凝膠堵漏劑室內試驗

3.1 化學凝膠堵漏劑的特點

化學凝膠是通過有機物和無機物合成，再經過一定的配比優化出強度高的配方。主要組成為：懸浮劑、激活劑、交聯劑、成膠劑、堵漏劑和緩凝劑。 懸浮劑和激活劑主要是起到懸浮其他物質和調節密度的作用，同時輔助增加強度；成膠劑和堵漏劑反應形成化學凝膠的主要成分；交聯劑使所有物質達到成膠時間時結合成為一個整體；緩凝劑用以延緩成膠時間。因此化學凝膠的成膠時間可控，成膠強度高。

3.2 化學凝膠的配置

堵漏鉆孔深度為1718 m，其孔底溫度約為50 ℃，我們配置不同加量的化學凝膠堵漏漿液，放入恒溫水浴鍋內50 ℃養護，測試其成膠時間及強度。

本次正交試驗采用四因素三水平正交表[7]，以5%膨潤土為基漿，來獲得成膠劑(A)、堵漏劑(B)、交聯劑(C)、懸浮劑(D)的優化摻量。A、B、C、D的水平值均以基漿為基準，設定A的水平值為10%、12%、15%；B的水平值為：5%、8%、10%；C的水平值為2%、3%、4% ，D的水平值為8%、 10%、12%(如表1所示)。選用L9(34)正交迸行試驗，試驗結果如表2所示。

表1 摻加劑水平值Table 1 Level value of additive %

表2 成膠時間及承壓能力指標分析Table 2 Analysis of gelation time and pressure capacity index

根據極差分析，成膠時間最佳組合：A1C1D2B3，承壓能力最佳組合A2C1B2D2。各組分推薦值為成膠劑(A)12%，堵漏劑(B)10%，懸浮劑(D)10%，交聯劑(C)2%。

4 現場應用效果

4.1 前期準備

(1)配置前置白土漿。

本次堵漏擬堵孔段1636 ～1718 m，配置10%的白土漿液1 m3，計算公式如下：

W=V1ρ2(ρ1-ρ3)/(ρ2-ρ3)

式中：W——所需白土量，t；V1——所需配置的泥漿體積，m3；ρ1——所需配置的泥漿密度，t/m3；ρ2——白土密度(簡化為2.0 t/m3)；ρ3——水的密度，t/m3。

(2)配置化學凝膠堵漏液。

計算所需堵漏漿液體積，本次計劃封堵300 m。鉆孔直徑77 mm，代入公式V=πr2h，求得體積為1.40 m3。按先后順序依次加入5%膨潤土，10%懸浮劑，水化。加入12%成膠劑、10%堵漏劑、后加入2%交聯劑；鉆孔水位為200 m，則替漿高度為1216 m，鉆桿內徑為60 mm，計算替漿體積為3.43 m3。

(3)小口徑繩索取心鉆探堵漏增壓裝置的使用。

為了更好地達到密封效果，我們研制了鉆探堵漏憋壓裝置(見圖7)，該裝置分別與鉆桿和立軸連接，并且利用定位軸環來進行定位，利用錐形密封墊將鉆桿外的外層環空隔離，更高的壓力可以使得通過鉆桿鉆頭流出的堵漏材料在更大程度上擠入裂隙里而不僅僅停留在鉆孔的孔壁表面，可以明顯提高封堵效果。

圖7 堵漏憋壓裝置示意Fig.7 Schematic diagram of plugging and pressure-out device

4.2 施工過程

(1)下入光鉆桿鉆具至1716 m(漏點為1636～1718 m)。

(2)開泵大排量循環，使漏失通道充分打開。

(3)泵入前置液。

(4)泵入化學凝膠堵漏漿液1.40 m3。

(5)泵入替漿3.43 m3。

(6)起鉆至安全位置1416 m。

(7)憋泵，觀察起壓情況，候凝24 h。

(8)留樣，用于實驗室模擬試驗。

4.3 堵漏效果

經過24 h候凝，下鉆掃孔，堵漏材料強度滿足要求，并且與孔內大顆粒有害物質膠結較好，正常鉆進時返漿量達到80%以上，堵漏成功(參見圖8、9)。

圖8 鉆取的化學凝膠堵漏材料巖心柱Fig.8 Core of chemical gel plugging material

圖9 凝膠與固相材料膠結情況Fig.9 Gel and solid phase material cementation

5 結語

(1)紅布金礦區因其處在三個構造帶交匯處，地層極其復雜，漏失層段多，漏失井段長，承壓能力低，漏失通道對壓力十分敏感。采用常規的堵漏措施達不到理想的效果。

(2)中國地質大學(北京)于培志教授及其團隊研制的化學凝膠具有凝膠和橋接的雙重功能，因其成膠時間、密度等可控，膠結能力強，承壓能力可以達到8 MPa以上，在該礦區達到了良好的試驗與應用效果，滿足紅布礦區施工需要。

(3)因其技術可行，操作簡單，具有推廣應用條件，對于解決深孔漏失有實際的經濟意義。